Воздушные линии

Для обеспечения надежного функционирования воздушных линий электропередачи нормативные документы должны рассматривать опоры ВЛ как электротехнические элементы электрической сети, поскольку рабочие режимы сети влияют на долговечность контактных соединений электросетевых конструкций, созданных в соответствии со СНиП.
Новосибирские авторы предлагают способ определения состояния контактных соединений опор на оттяжках с использованием наведенных в оттяжках токов от тока нагрузки ВЛ, а также приводят результаты натурных проверок контактных соединений на действующих ВЛ.

КОНТАКТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТРОСОВЫХ ОТТЯЖЕК ОПОР ВЛ
Проверка электрического сопротивления

Алексей Анохин,
Александр Тарасов,
Новосибирская специализированная производственная база – филиал ОАО «ЭЛЕКТРОСЕТЬСЕРВИС ЕНЭС»
Василий Цилько,
НПП «ЭЛЕКТРОКОРР», г. Новосибирск

В настоящее время опоры воздушных ЛЭП рассматриваются в большей степени как чисто строительные конструкции, а не как электротехнические элементы.

В связи с этим при расчетах несущей способности элементов опор не берется во внимание влияние на них аварийных и рабочих токов электрической сети. Не учитываются также и токи, наведенные в больших замкнутых контурах опор. Однако эти токи могут приводить к разогреву разъемных контактных соединений элементов опор (рис. 1) [1], а также усиливать коррозионные процессы в месте таких контактов, приводя к ускоренному разрушению контактирующих элементов (фото. 1) [2].

Рис. 1. Узел крепления оттяжек опор

1 – трос оттяжек; 2 – клиновой зажим; 3 – U-образные болты; 4 – петля анкерной плиты

Фото 1. Петля анкерной плиты упавшей опоры ВЛ

При этом сами по себе коррозионные разрушения не приносят заметного ущерба от безвозвратной потери металла (превращения его в окисел), но приводят к потере конструкцией своего функционального назначения и к последующему отказу в работе. Такие отказы могут существенно изменить условия безопасности на территории электроустановки как для обслуживающего персонала, так и для окружающих, создать угрозу или предпосылки для взрывной или пожарной опасности.

В мировой практике накоплен богатый опыт борьбы с коррозией металла. Но не всякий аналогичный опыт может использоваться для электроустановок, так как в них на обычный электрохимический процесс накладываются различные электромагнитные влияния, а также прямые воздействия рабочих и аварийных токов электрической сети.

КОРРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

В зависимости от электротехнических свойств среды (а это прежде всего атмосфера и грунт), в которой находятся элементы электроустановок, от динамики ее изменения, материала конструкций, различных загрязняющих и климатических факторов и т.д., будет изменяться и характер коррозионных процессов, протекающих под электромагнитным влиянием.

Ниже приводятся два примера по усилению коррозии в зоне разъемного соединения элементов узла крепления оттяжек опор ВЛ (рис. 1 и фото 1). Один пример касается контакта, расположенного в грунте, а второй – контакта, расположенного в атмосфере. На оба контакта, кроме агрессивного влияния самой среды, воздействуют еще переменные токи, наведенные в оттяжках.

Оба рассматриваемых случая характеризуются тем, что разъемные элементы конструкций имеют общую поверхность соприкосновения, через которую протекает наведенный ток, а благодаря процессу окисления и интенсивности внешних ветровых воздействий сопротивление контакта между элементами конструкций может изменяться в широких пределах: от полного разрыва до полной гальванической связи.

В таких условиях и плотность наведенного тока может варьироваться в широких пределах, приводя к усилению коррозионных процессов во-первых, в подземной зоне узла крепления оттяжек (рис. 1), а во-вторых, в клиновом соединении троса оттяжки и U-образного болта (фото 1). При этом в первом случае усиленной коррозии подвергается петля анкерной плиты, находящаяся в анодном режиме по отношению к арматуре анкерной плиты. Второй случай характерен при использовании неоцинкованных тросов оттяжек, широко применявшихся в 60-х годах прошлого столетия, особенно на ВЛ 220 кВ с опорами на оттяжках. В качестве защиты от коррозии таких тросов (согласно рекомендациям СНиП) применялась смазка ЗЭС, которая со временем вымывалась. Позже, уже при строительстве ЛЭП 500 кВ, по требованиям ПУЭ стали применяться оцинкованные тросы оттяжек и оцинкованные клиновые зажимы, и в настоящий момент количество случаев разрушения тросов существенно снизилось. Однако на старых ВЛ 220 и 500 кВ эта проблема очень актуальна.
Для кинетики подземной коррозионной системы опор на оттяжках важную роль также играет вид соединения контактов арматурного каркаса анкерной плиты. Контакты арматурного каркаса анкерной плиты могут быть сварными и вязаными. Для контактов арматурного каркаса, созданных с помощью вязальной проволоки, характерна подвижность и свобода проникновения в зону контакта окислителя. Это способствует быстрому окислению и пропаданию гальванической связи между контактирующими элементами, что в итоге может прерывать как наведенные переменные, так и коррозионные постоянные токи. Это подтверждают и результаты экспериментов, выполненные в [3]. Они показывают, что даже для новой железобетонной конструкции сопротивления вязаных контактов арматурного каркаса примерно в 10 раз превышают сопротивления сварных контактов:

ВЛИЯНИЕ НАВЕДЕННОГО ТОКА

Процесс разрушения тросов оттяжек в клиновом зажиме (фото 2) обусловлен самой конструкцией этого узла и влиянием протекающего по оттяжке наведенного тока. Этот ток замыкается в контуре, образованном тросами оттяжек, траверсой опоры и U-образными болтами. Все контакты между указанными элементами разъемные, поэтому в случае пропадания гальванического контакта между тросом оттяжки, клиновым зажимом и U-образным болтом наведенный ток должен пропасть или как-то перетечь с троса на U-образный болт, минуя клиновой зажим. В этом случае наведенный ток начинает течь через проводящую фазу электролита по кратчайшему расстоянию. Электролит, образованный из атмосферной влаги и пыли, наносимой в зону рассматриваемого контакта из окружающей среды, практически всегда присутствует в плохо проветриваемых зонах клинового зажима. В результате происходит усиление работы коррозионной макропары «трос оттяжки – клиновой зажим», в которой сталь троса является разрушаемым элементом макропары, или анодом, а чугун зажима – защищаемым элементом, или катодом.

Фото 2. Ускоренное разрушение троса оттяжки в клиновом зажиме

Кроме того, в этой же зоне клинового зажима концентрируются механические напряжения от сил натяжения троса и ветровой вибрации, которые больше способствуют появлению усталости материала троса (то есть изменению его внутренней структуры), чем потере сечения от коррозии.

Значение наведенных в оттяжках токов зависит от рабочего тока ВЛ и сопротивления замкнутого контура опоры, в котором наводится этот ток. Поскольку и рабочий ток в линии, и контактная система замкнутых контуров опоры, определяющая сопротивление цепи для протекания наведенного тока, неустойчивы во времени, то важнее становится исследование не абсолютных значений самих токов, а фактов их наличия или отсутствия. Что же касается абсолютных значений наведенных токов, то, согласно выполненным измерениям, они максимальны в оттяжках тех опор, которые имеют заземленный грозозащитный трос.

Измерения сопротивления контактов, выполненные слаботочным омметром Ф 4103, между тросом оттяжки и телом опоры, а также между тросом оттяжки и U-образным болтом показали, что оно может изменяться в пределах от 0,01 Ом до полного разрыва цепи – «пропадания контакта». Причем абсолютное значение этого сопротивления и частота «пропадания контактов» по трассе ВЛ существенным образом зависят от срока службы опор ВЛ, силы натяжения оттяжек, структуры и засоления грунта, рельефа и ландшафта места ее расположения.

СОСТОЯНИЕ КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ

Если принять, что в первые годы после строительства и ввода в эксплуатацию ВЛ контактная система опор имела низкое сопротивление, то есть все контакты были рабочими, а потом с течением времени они начали пропадать, то согласно результатам измерений получится график изменения состояния контактной системы опор ВЛ во времени (рис. 2).

Рис. 2. Изменение состояния контактной системы опор на оттяжках во времени

График наглядно показывает, что с увеличением срока эксплуатации ВЛ происходит снижение количества рабочих контактов и возрастание количества нерабочих контактов. Причем верхние контакты в местах крепления оттяжек к стойкам опоры пропадают почти в два раза чаще, чем контакты в анкерных узлах (контакты в клиновом зажиме при измерениях шунтировались).

Анализ результатов измерений наведенных токов в 2002 и 2008 годах, представленный на рис. 2, показал, что в 30% случаев виной большого сопротивления контактов (или их пропадания) был подземный анкерный узел, а в 60% случаев – заделка троса оттяжки к опоре. И только в 10% случаев контакты оставались рабочими. Причем более половины из них появились из исчезнувших контактов.

Это объясняется тем, что поведение контактов, электрически связывающих элементы коррозионной системы под землей (петля анкерной плиты и U-образный болт), отличается от поведения контактов в атмосфере, где доступ окислителя неограничен и на контактах может быстро возникнуть тонкая окисная пленка с большим сопротивлением.

Из графика рис. 2 видно также, что в реальной системе опор на оттяжках рабочие контакты во времени полностью не исчезают. Следовательно, в течение срока эксплуатации всегда будет существовать небольшая группа анкерных узлов с рабочими контактами, через которые будет протекать наведенный ток. Эти контакты могут периодически пропадать и снова появляться. Причиной появления контакта из-за разрушения окисла в непроводящем контакте может быть удар молнии в опору или сильная механическая нагрузка, например, от порыва ветра или пляски проводов. Оба эти воздействия могут влиять также на коррозионное состояние этих контактов, усиливая коррозию. Вероятность такого явления объясняется тем, что все опоры с появившимися вновь рабочими контактами, расположены вблизи мест нахождения границ раздела грунтов. А в такие границы обычно разряжается грозовой заряд [4].

Результаты лабораторного исследования влияния на коррозию контактной системы переменных токов, полученные в [2], показывают, что, по сравнению с неподвижным контактом, влияние его прерывистости на усиление коррозии невелико, по крайней мере на начальной стадии эксперимента. То есть постоянный точечный контакт двух стальных контактирующих элементов, который находится под действием переменного тока, имеет бóльшую коррозию в зоне соприкосновения элементов, чем прерывистый контакт. Это происходит, очевидно, за счет большего локального разогрева поверхности элементов в зоне соприкосновения и более длительного воздействия большой плотности тока в местах отсутствия такого контакта на общей поверхности взаимодействия электродов, собственно там, где и идет процесс коррозии.

ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Учитывая наличие в больших контурах опор наведенного тока, была сделана попытка использования его значения как диагностического фактора при оценке коррозионного состояния петли анкерной плиты для опор на оттяжках. Для этого была разработана методика измерения переходного сопротивления контакта между U-образными болтами и петлей анкерной плиты. Схема, поясняющая процесс измерения указанного переходного сопротивления, представлена на рис. 3.

Порядок измерения переходного сопротивления следующий:

1. До установки закороток с помощью токоизмерительных клещей или датчиков тока (с точностью не менее 0,2 А) производится измерение наведенного в тросе оттяжек тока I_до.
2. До установки закороток с помощью вольтметра между точками а и в (рис. 3) производится измерение напряжения (Е_ав) с точностью не менее 0,01 В.
3. Омметром с точностью не менее 0,01 Ом по 4-проводной схеме производится измерение сопротивления R_ав между точками а и в (рис. 3).
4. Выше клинового зажима на тросах оттяжек устанавливаются струбцины с закоротками: а, с, е и в, д, к (рис. 3).
5. Между точками а и в медным проводом сечением не менее 4 мм устанавливается закоротка.
6. После подключения закороток а, с, е и в, д, к (рис. 3), с помощью токоизмерительных клещей или датчиков тока (с точностью не менее 0,2 А) в тросе оттяжек производится измерение наведенного тока I_после.
7. Полученные результаты заносятся в полевой журнал и вводятся в специальную программу. В нее же вводится код, учитывающий наличие или отсутствие искусственных заземлителей у оттяжек опоры (0 – присутствуют оба заземлителя, 1 – отсутствуют один или оба заземлителя).
8. Производится расчет переходного сопротивления в контакте между петлей и U-образными болтами.
9. После получения корректных результатов измерений все перемычки снимаются.

Рис. 3. Схема измерения переходного сопротивления

Как показали теоретические расчеты наведенных в оттяжках опор токов, при хорошем переходном контакте между U-образными болтами и петлей анкерной плиты (переходное сопротивление составляет R_пер = 0,02–0,04 Ом) и среднем сопротивлении тросов оттяжек (диаметром 15 или 18 мм) R_ср^тр = 0,021 Ом токи, протекающие в контуре «трос 1-й оттяжки – трос 2-й оттяжки» под воздействием наведенной ЭДС ε_М = 414 мВ, могут достигать значений I_М = 8–10 А, а в контуре «тросы оттяжек – грунт – опора» под воздействием ЭДС ε_З = 495 мВ соответственно I_З = 2–3 А (при удельном сопротивлении грунта 2–3 Ом·м).

Расчеты также показали, что по мере увеличения переходного сопротивления в контактной системе опоры, а также с ростом удельного сопротивления грунта уровень токов I_М и I_З резко падает.

При плохом контакте «U-образные болты – петля анкерной плиты» и удельном сопротивлении грунта ρ = 2 Ом·м максимальная плотность токов, протекающих в грунте через нижние части болтов от ЭДС, наведенной в контуре «трос 1-й оттяжки – трос 2-й оттяжки», составляет j_н1 =3,47 А/м², а для контура «тросы оттяжек – грунт – опора» плотность тока, стекающего с U-образных болтов, составляет j_н2 =1,24 А/м².

Так как токи в рассматриваемых контурах сдвинуты на 90°, то общая плотность тока, стекающего в грунт с болтов, составляет . С увеличением удельного сопротивления грунта уровень указанных плотностей токов пропорционально падает. Однако даже эти сравнительно небольшие значения плотностей токов представляют коррозионную опасность для арматуры железобетонных конструкций опор и естественных заземлителей (U-образных болтов). Согласно [3, 5] длительно допустимая плотность тока промышленной частоты по арматуре железобетонных конструкций и естественным заземлителям, нормируемая по условию электрической коррозии, составляет j_норм = 1,0 А/м².

Результаты натурных измерений переходных сопротивлений, выполненных более чем на 1000 анкерных узлах, подтвердили, что реальные значения сопротивлений контактов в контуре «трос 1-й оттяжки – трос 2-й оттяжки» могут изменяться в широких пределах (от 0,01 до 100 и более Ом). Однозначно это сопротивление не может в полной мере характеризовать коррозионное состояние петли анкерной плиты.

На этапе обследования опоры оно может рассматриваться, как дополнительная информация к другим методам контроля коррозионного состояния, указывающая на наличие либо отсутствие гальванической связи между всей опорой и анкерной плитой. На данный момент расчетом установлено, что при значении переходного сопротивления более 30 Ом можно считать анкерную плиту гальванически не связанной с остальными элементами опоры и коррозионные процессы на U-образных болтах и петле анкерной плиты идут независимо.

Перевод подземного анкерного узла крепления оттяжек опоры на выносной узел не снимет до конца проблему негативного влияния наведенных токов, а выполнение разъемных соединений элементов опор, образующих контур, через изоляторы может способствовать появлению высоких значений наведенного потенциала на изолированных оттяжках опор. Последнее снижает уровень электробезопасности у опоры и создает угрозу поражения людей и животных наведенным электрическим током. Расчет наведенного в оттяжках напряжения от рабочего напряжения в проводах ВЛ, выполненный для изолированных от земли и опоры оттяжек, связанных гальванически между собой в нижней или верхней частях опоры, показал, что оно может достигать значений более 30 кВ. По-этому правильнее выполнять шунтирование таких контактов специальными шлейфами, особенно на взрывопожароопасных участках трасс ВЛ.

Появлению изолированных контактов в теле опоры способствует секционирование опор для удобства их транспортировки и строительства, а также применение в качестве антикоррозионной защиты для отдельных элементов опор вместо оцинковки полимерных непроводящих покрытий.

ВЫВОДЫ

1. Наличие больших замкнутых контуров в конструкции опор воздушных линий электропередачи является причиной появления в них наведенных токов от рабочих токов линии.
2. На протяженных изолированных конструкциях опор могут наводиться опасные для людей и животных электрические потенциалы от рабочего напряжения линии.
3. Протекающие в контурах опор наведенные токи могут приводить к усилению естественных коррозионных процессов в надземных и подземных контактных системах опоры.
4. Окисление контактных систем опор ВЛ на оттяжках до уровня «пропадания контактов» происходит неравномерно: чаще это происходит в узлах крепления тросов оттяжек к опоре в районе траверс и реже в подземном узле. Причем порядка 5–10% подземных контактов опор на оттяжках всегда остаются в рабочем состоянии. Пропадание контактов наблюдается и в арматурных каркасах железобетонных конструкций, элементы которых соединены вязальной проволокой.
5. Протекающие в контурах опор наведенные токи могут быть использованы как диагностический параметр коррозионной системы опоры.
6. При проектировании опор воздушных ЛЭП и выборе защит от коррозии, помимо требований СНиП необходимо учитывать влияние электрической сети, в которой они предназначены работать.
   
   

ЛИТЕРАТУРА

1. Руцкий В.М., Овсянников А.Г., Нечитаев Р.А. Уточнение потерь электроэнергии в элементах воздушных ЛЭП. // Линии электропередачи – 2008: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: Сборник докладов Третьей Российской научно-практической конференции с международным участием / Под ред. Лаврова Ю.А. Новосибирск, 2008. с. 220–225.
2. Celebrowskij J.W., Tarasow A.G. Wplyw pradow awaryjnych na korozjcw obiektach elektroenergetycznych. // XII miedzynarodowa konferencja naukowotechniezna Bezpieczenstwoelektryczne, Tom 1. Wroclaw: Instytut energoelektryki Politechniki wroclawskiej, 1999.
3. Карякин Р.Н. Нормы устройства сетей заземления. М.:ЭНАС, 2002. Табл. 8.1.
4. Целебровский Ю.В. и др. Грозопоражения и грозозащита дальних линий электропередачи. // Научно-техническая конференция «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния», 15–19 сентября 2003 г. Новосибирск, Труды конференции, том 2.
5. Бернацкий А.Ф. Электрические свойства бетона. М.:Энергия,1980.